發(fā)布時間：2020-04-01 09:56

【摘要】：為滿足自然環(huán)境下微功率無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的自供電需求、提高其可靠性及風(fēng)速適應(yīng)性,本文提出一種基于圓柱繞流的間接激勵式壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī),利用殼體間接激勵組合換能器實(shí)現(xiàn)壓電振子單向變形,從理論仿真和試驗(yàn)兩方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。具體研究內(nèi)容如下:1.建立了由壓電振子與支架組成的組合換能器的COMSOL仿真模型,研究了壓電振子長度比(壓電陶瓷長與基板之比)/厚度比(壓電陶瓷厚與基板之比)/寬度和支架高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)、附加質(zhì)量及激振頻率等對壓電振子表面應(yīng)力、組合換能器固有頻率及輸出特性(輸出電壓與功率)的影響規(guī)律,結(jié)果表明:(1)壓電振子表面最大應(yīng)力隨長度比及支架高度增加而增大、隨寬度及厚度比增大而逐漸減小;(2)組合換能器工作在一階振型時壓電振子表面產(chǎn)生電荷極性相同、發(fā)電量最大;固有頻率及等效剛度隨長度比/厚度比/寬度及支架高度增大而增大、隨附加質(zhì)量增大而減小;(3)分別存在最佳的附加質(zhì)量、負(fù)載電阻和激振頻率使輸出功率最大。2.建立了壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)的COMSOL仿真模型,研究了風(fēng)速、殼體直徑、擾流板間徑比(間距與殼體直徑之比)及高度等參數(shù)對風(fēng)場分布及殼體升力特性(幅值與脫渦頻率)的影響規(guī)律;建立了發(fā)電機(jī)的動力學(xué)模型,研究了殼體質(zhì)量及彈簧等效剛度等相關(guān)參數(shù)對其動態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律,結(jié)果表明:(1)無擾流板時升力系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)正弦信號,脫渦頻率隨風(fēng)速增大和殼體直徑減小而增大;(2)有擾流板時,殼體及風(fēng)場間的耦合關(guān)系受擾流板參數(shù)影響,間徑比介于0至1.3之間和擾流板高度大于100mm時,殼體背流面均出現(xiàn)紊流區(qū)域、升力幅值呈負(fù)向偏置且脫渦頻率隨擾流板間徑比/高度增大而減小。3.為驗(yàn)證理論與仿真結(jié)果的正確性,搭建了發(fā)電機(jī)測試系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗(yàn)研究,采用概率密度分析法對電壓時域波形進(jìn)行分析,獲得了殼體/組合換能器質(zhì)量、擾流板間徑比/高度及殼體直徑等參數(shù)對發(fā)電機(jī)輸出電壓與殼體振幅的影響規(guī)律;在此基礎(chǔ)上研究了風(fēng)速、間徑比及負(fù)載電阻對發(fā)電機(jī)輸出功率的影響規(guī)律,結(jié)果表明:(1)輸出電壓隨著殼體質(zhì)量增加而減小,存在最佳組合換能器質(zhì)量(65g)使輸出電壓最大,且殼體振幅隨殼體/組合換能器質(zhì)量增加而減小;(2)存在最佳的間徑比(約0.6)/擾流板高度(160mm)/殼體直徑(70mm)使輸出電壓/振幅最大;(3)間徑比為0.57時最佳負(fù)載電阻為200kΩ,最大輸出功率為0.28mW。
【圖文】：

卡門渦街及脫渦激振力

接激勵殼體內(nèi)的組合換能器受慣性力作用彎曲發(fā)電，該過程中流體動能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的振動能，并利用壓電效應(yīng)將振動能轉(zhuǎn)化為電能，其基本原理框圖如 0 所示。圖3.1 結(jié)構(gòu)原理圖壓電流體發(fā)電機(jī)的基本原理框圖壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作過程中組合換能器受殼體間接激勵，與流體不直接接觸，且工作時壓電振子表面僅承受壓應(yīng)力，通過裝配預(yù)彎實(shí)現(xiàn)單向彎曲發(fā)電，進(jìn)一步提高其壽命，具有高可靠性；此外，發(fā)電機(jī)可通過附加質(zhì)量及剛度調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有頻率，，具有動態(tài)特性調(diào)節(jié)范圍寬、流體適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。第 3 章 壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模與仿真分析
【學(xué)位授予單位】：浙江師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM315

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本文編號：2610302